CN220823345U - 基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统 - Google Patents
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Abstract
本申请属于粒子加速技术领域，涉及基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，包括：激光源、真空靶室、传输聚焦装置、固体靶以及光束分离模块；激光源设在真空靶室的外部并作为输入端，光束分离模块设在真空靶室的外部并作为输出端，传输聚焦装置以及固体靶均设在真空靶室的内部；固体靶的表面设有多个阵列分布的回转体结构，回转体结构的母线为正弦曲线，回转体结构的中心线朝向激光源的方向；激光源产生激光，并经过传输聚焦装置后射入固体靶，以经固体靶调制后射出电子束，电子束在光束分离模块的作用下产生高能高产额电子束。采用本申请能够产生高能高产额电子束。
Description
技术领域
本申请涉及粒子加速技术领域，特别是涉及基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统。
背景技术
激光与物质相互作用是物理学中一直倍受关注的核心问题之一。随着超强激光技术的发展，当前实验室中已经能够获得1021-1023W/cm2的高激光强度，物质可被直接电离为等离子体。基于超强激光等离子体相互作用的新型粒子加速器，其加速梯度高于传统粒子加速器三个量级以上，而且产生的电子脉冲具有超短、超亮和准直等特性，因此近年来已经吸引了国内外研究人员的广泛关注。通过激光等离子体相互作用获得的高能高产额电子束在次级粒子产生、自由电子激光、离子加速等领域具有重要价值。其中，通过产生电子束实现离子加速所得的离子束品质与电子束紧密相关，提高超热电子的能量与产额可显著提高离子束能量、优化离子束准直性等重要品质。高能高产额的电子束在众多领域具有广泛应用前景。
近年来，人们提出多种电子加速机制，其中基于激光与百纳米固体薄靶相互作用的激光相对论透明加速已被大量理论和实验证实为较为有效的一种加速方式。然而，激光与平板靶相互作用过程中，激光到电子的能量转换效率偏低，获得的电子束的能量与产额较低。较低能量与产额的电子束限制了其在众多领域的应用价值。
实用新型内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，能够产生高能高产额电子束。
基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，包括：
激光源、真空靶室、传输聚焦装置、固体靶以及光束分离模块；
所述激光源设在所述真空靶室的外部并作为输入端，所述光束分离模块设在所述真空靶室的外部并作为输出端，所述传输聚焦装置以及所述固体靶均设在所述真空靶室的内部；
所述固体靶的表面设有多个阵列分布的回转体结构，所述回转体结构的母线为正弦曲线，所述回转体结构的中心线朝向所述激光源的方向；
所述激光源产生激光，并经过所述传输聚焦装置后射入所述固体靶，以经所述固体靶调制后射出电子束，所述电子束在所述光束分离模块的作用下产生高能高产额电子束。
在一个实施例中，所述传输聚焦装置包括：光学传输模块以及激光聚焦模块；
所述光学传输模块设在所述激光的光路上，并改变所述激光的方向后射入所述激光聚焦模块；
所述激光聚焦模块接收所述光学传输模块的射出激光，并聚焦后射入所述固体靶。
在一个实施例中，所述真空靶室上具有输入窗口以及输出窗口，所述激光由所述输入窗口射入所述真空靶室，并由所述输出窗口射出所述真空靶室；
所述光束分离模块为两块偏转磁铁，分别设在所述输出窗口的两侧，并均与所述电子束的射出方向平行。
在一个实施例中，所述回转体结构的中心线与所述固体靶所在表面垂直，且所述回转体结构的中心线与所述激光聚焦模块的射出激光平行。
在一个实施例中，所述正弦曲线的波长为500nm，振幅为150nm。
在一个实施例中，所述固体靶的密度为80nc，其中，nc为等离子体临界密度。
在一个实施例中，所述固体靶为矩形，所述回转体结构布满所述固体靶的表面。
在一个实施例中，所述固体靶采用纯氢靶。
在一个实施例中，所述激光源产生圆极化的飞秒高斯激光。
在一个实施例中，所述飞秒高斯激光的强度为1021～1022W/cm2。
上述基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，设计了表面调制高密度固体靶，具体是在固体靶的表面设置调制结构，对固体靶进行调制，通过圆极化高斯激光与调制固体靶相互作用，能够在现有激光技术条件下，产生能量转化效率高且截止能量与束流产额均远高于平面固体靶的高能电子束能谱。高产额电子束可在靶背真空区域生成更强的鞘层电场，从而有效驱动离子加速，而且，能量足够高的电子束在X/γ射线、正电子等次级粒子产生研究中同样具有重要应用价值。此外，通过改变激光强度、改变固体靶的长度和密度或改变调制结构的波长、密度和幅度，可以有效的对产生的加速电子的电子束能谱进行调节。
附图说明
图1为一个实施例中基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统的结构示意图；
图2为一个实施例中基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统最终得到的电子能谱图。
附图标记：
激光源1，光学传输模块2，激光聚焦模块3，固体靶4，光束分离模块5，真空靶室6。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
本申请提供了一种基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，如图1所示，在一个实施例中，包括：激光源、真空靶室、传输聚焦装置、固体靶以及光束分离模块。
各部件之间的连接关系为：激光源设在真空靶室的外部并作为输入端，光束分离模块设在真空靶室的外部并作为输出端，传输聚焦装置以及固体靶均设在真空靶室的内部。
激光源产生激光。优选地，激光源产生圆极化的飞秒高斯激光，飞秒高斯激光的激光强度为1021～1022W/cm2。
真空靶室上具有输入窗口以及输出窗口，激光由输入窗口射入真空靶室，并由输出窗口射出真空靶室，需要说明，经输出窗口射出真空靶室的为离子束。
传输聚焦装置用于对激光进行传输并聚焦后打在固体靶上。优选地，传输聚焦装置包括：光学传输模块以及激光聚焦模块；光学传输模块设在激光的光路上，并改变激光的方向后射入激光聚焦模块，以保护设备；激光聚焦模块接收光学传输模块的射出激光，并聚焦后射入固体靶。
固体靶为调制固体靶，其表面设有多个阵列分布的回转体结构，即横纵叠加的正弦点阵结构，回转体结构的母线为正弦曲线，回转体结构的中心线朝向激光源的方向，回转体结构作为固体靶的调制结构。优选地，回转体结构的中心线与固体靶所在表面垂直，且回转体结构的中心线与激光聚焦模块的射出激光平行。进一步优选地，固体靶为矩形，回转体结构布满固体靶的表面，也就是说，回转体结构呈矩形阵列分布；固体靶可采用纯氢靶、塑料靶或聚合物靶等离子组分含有质子的材料。更进一步优选地，固体靶中电子的密度为80nc，其中，nc为等离子体临界密度；正弦曲线的波长为500nm，振幅为150nm，调制正弦结构在高于100nm的尺度下对电子束能量与产额的提升效果较为明显，在上述参数取值下可得到较好优化结果，继续增大调制振幅超过200nm时，电子束能量与产额的提升效果将变得不明显，根据应用需求，可在该振幅范围内适当选取参数取值。本实施例不限制固体靶的具体尺寸，只要激光能全部打在固体靶上即可，优选地，固体靶厚度度为350nm，以与波长500nm的正弦曲线相匹配。
光束分离模块将经真空靶室的射出电子束分离以产生离子束。优选地，所述光束分离模块为两块偏转磁铁，分别设在输出窗口的两侧，并均与电子束的射出方向平行，以产生偏转磁场，将射出电子束偏转，并产生离子束。
本申请的工作过程是：激光源产生圆极化的飞秒高斯激光，飞秒高斯激光经输入窗口射入真空靶室内，经过光学传输模块换向，传输给激光聚焦模块，在激光聚焦模块中，激光焦斑缩小，能量密度进一步提升，完成聚焦的激光沿调制固体靶的轴线射入并通过调制固体靶，完成聚焦的激光与调制固体靶相互作用产生高能高产额电子束，电子束中的加速电子经输出窗口到达偏转磁场，受到磁场的整形与偏转作用，将经过调制固体靶产生的电子束中夹杂的离子偏转，从而实现电子和离子的分离，产生高能高产额的电子束，能量和产额均显著提高。
本申请的工作原理是：当超短超强激光脉冲作用到调制固体靶上时，固体靶瞬间电离成为等离子体状态。在共振吸收、真空加热等效应的作用下，激光脉冲的能量被等离子体吸收并加热产生超热电子，在调制固体靶中不断向前传播，最终进入调制固体靶后的真空区域。本系统通过对固体靶进行调制，能够在现有激光条件下与激光脉冲相互作用，产生截止能量更高以及超热电子产额更高的高能电子束。固体靶前表面(以靠近激光源的一侧为前表面)的微调制结构(即回转体结构)提高了激光到加热电子的能量转化效率，从而产生温度更高、产额更高的超热电子束，能量相比于相同激光脉冲入射平面固体靶产生的电子束提高约70％，产额高出接近一个数量级。
上述基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，设计了表面调制高密度固体靶，具体是在固体靶的表面设置调制结构，对固体靶进行调制，通过圆极化高斯激光与调制固体靶相互作用，能够在现有激光技术条件下，产生能量转化效率高且截止能量与束流产额均远高于平面固体靶的高能电子束能谱。高产额电子束可在靶背真空区域生成更强的鞘层电场，从而有效驱动离子加速，而且，能量足够高的电子束在X/γ射线、正电子等次级粒子产生研究中同样具有重要应用价值。此外，增大激光强度和回转体结构的振幅，电子束的截止能量与产额将进一步增大；回转体结构的波长选取500nm时可与激光波长匹配较好，减小波长取值将降低电子束能量与产额。
在一个具体的实施例中，基于激光加速的高能高产额电子束产生系统，包括：激光源、真空靶室、光学传输模块、激光聚焦模块、调制固体靶以及偏转磁铁。
激光源产生一束圆极化的高斯激光，激光强度为1021～1022W/cm2，激光波长为λ＝1μm，焦斑半径为4μm，时间构型为梯型，包含1T0的上升沿与下降沿，以及10T0的平台分布区域，T0＝c/λ，T0为激光周期，c为真空中的光速。调制固体靶由质子(H+)及电子(e-)构成，整体保持电中性，调制固体靶的厚度为350nm，正弦调制结构的波长为500nm，振幅为150nm，调制固体靶中电子密度为80nc，nc为等离子体临界密度。
激光源产生一束强度为1021W/cm2的圆极化高斯激光，通过真空靶室内的光学传输模块以及激光聚焦模块，将高斯激光聚焦后沿固体靶的轴线作用到固体靶表面上，以将固体靶电离成为等离子体状态。在共振吸收、真空加热等效应的作用下，激光脉冲的能量被等离子体吸收并加热产生超热电子，在固体靶中不断向前传播，最终进入固体靶后的真空区域。在磁场的整形与偏转作用下，将经过固体靶产生的电子束中夹杂的离子偏转，将电子和离子分离，产生能量和产额均远高于未调制平面固体靶的电子束。
如图2所示，实线为激光脉冲与正弦点阵调制结构靶相互作用后所得电子能谱，虚线所示为激光脉冲与平面靶相互作用所得电子能谱。从图中的比对结果可看出，正弦调制结构靶型对超热电子束的截止能量与电子束产额具有显著提升效果。相比于平面构型靶，正弦调制靶超热电子束截止能量提升约70％，电子束产额提升约一个数量级。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，其特征在于，包括：激光源、真空靶室、传输聚焦装置、固体靶以及光束分离模块；
所述激光源设在所述真空靶室的外部并作为输入端，所述光束分离模块设在所述真空靶室的外部并作为输出端，所述传输聚焦装置以及所述固体靶均设在所述真空靶室的内部；
所述固体靶的表面设有多个阵列分布的回转体结构，所述回转体结构的母线为正弦曲线，所述回转体结构的中心线朝向所述激光源的方向；
所述激光源产生激光，并经过所述传输聚焦装置后射入所述固体靶，以经所述固体靶调制后射出电子束，所述电子束在所述光束分离模块的作用下产生高能高产额电子束。
2.根据权利要求1所述的基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，其特征在于，所述传输聚焦装置包括：光学传输模块以及激光聚焦模块；
所述光学传输模块设在所述激光的光路上，并改变所述激光的方向后射入所述激光聚焦模块；
所述激光聚焦模块接收所述光学传输模块的射出激光，并聚焦后射入所述固体靶。
3.根据权利要求2所述的基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，其特征在于，所述真空靶室上具有输入窗口以及输出窗口，所述激光由所述输入窗口射入所述真空靶室，并由所述输出窗口射出所述真空靶室；
所述光束分离模块为两块偏转磁铁，分别设在所述输出窗口的两侧，并均与所述电子束的射出方向平行。
4.根据权利要求3所述的基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，其特征在于，所述回转体结构的中心线与所述固体靶所在表面垂直，且所述回转体结构的中心线与所述激光聚焦模块的射出激光平行。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，其特征在于，所述正弦曲线的波长为500nm，振幅为150nm。
6.根据权利要求1至4任一项所述的基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，其特征在于，所述固体靶的密度为80nc，其中，nc为等离子体临界密度。
7.根据权利要求1至4任一项所述的基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，其特征在于，所述固体靶为矩形，所述回转体结构布满所述固体靶的表面。
8.根据权利要求1至4任一项所述的基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，其特征在于，所述固体靶采用纯氢靶。
9.根据权利要求1至4任一项所述的基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，其特征在于，所述激光源产生圆极化的飞秒高斯激光。
10.根据权利要求9所述的基于激光相对论透明加速的高能高产额电子束产生系统，其特征在于，所述飞秒高斯激光的强度为1021～1022W/cm2。
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